CN101652898A - 阵列天线、无线通信设备和阵列天线控制方法 - Google Patents

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CN101652898A CN200780051854A CN200780051854A CN101652898A CN 101652898 A CN101652898 A CN 101652898A CN 200780051854 A CN200780051854 A CN 200780051854A CN 200780051854 A CN200780051854 A CN 200780051854A CN 101652898 A CN101652898 A CN 101652898A
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Abstract

一种阵列天线，包括天线单元组和开关部分。该天线单元组具有其中布置多个天线单元的结构。该开关部分具有能分别地切换天线单元组中所包括的天线单元的馈电点的多个开关元件。通过该开关元件的切换，天线单元组被转换为用于MIMO通信的天线，以并行传送和接收多个信号，或被转换为定向阵列天线，以控制该方向性朝着信号到达的方向。

Description

阵列天线、无线通信设备和阵列天线控制方法
技术领域
本发明涉及控制具有多个天线单元的阵列天线的技术。
背景技术
移动通信终端设备要求在许多方向上与基站通信。如果终端设备移动，那么从移动通信终端设备看，基站的方向改变。因此，通常在移动通信终端设备上安装不定向天线。不定向天线使之可以与任意方向的另一方通信，但是，通常，它们在定向天线的方向性朝着其转动的方向上较差地执行通信。最近，需要对通信性能的改进，以及用于改进通信性能的技术被开发，且现在被投入实际使用。
例如，有一种通过将定向天线的方向性控制为朝着信号到达的方向来提高通信性能的技术。
在用于具有可控制方向性的定向天线的一个结构中，布置有多个天线单元，根据天线单元来控制馈送至每个天线单元的信号的相位和振幅。通过合成从每个天线单元发出的无线电波，给出定向天线的方向性。通过模拟地或数字地控制馈送信号的振幅和相位，可以进行方向性控制。ADC(模-数转换器)用来数字化该馈送的信号。
在用于具有可控方向性的定向天线的另一结构中，具有辐射元件和多个非辐射元件的Yagi-Uda天线的非辐射元件的长度被电气地改变。参见Reactive Controlled Directive Arrays(ROGERF.HARRINGTON)IEEE Transactions on antennas and propagation，vol.AP26，No.3，May 1978，p390-395(文献1)。
利用在其中心的辐射元件，以其中以圆形形状布置非辐射元件的方式来构造在文献1中所描述的定向天线。为了控制方向性，改变每个非辐射元件的阻抗值，由此改变每个非辐射元件中的电子元件的长度。由此，可以选择性地控制Yagi-Uda天线的方向性。在日本专利申请公开号2001-024431(文献2)中，公开了使用该系统的ESPAR天线。
此外，有一种方法，通过将具有如上所述的可控制方向性的Yagi-Uda天线的非辐射元件的阻抗值限制为两种状态：开路状态和短路状态，从而简化该结构或该控制。参见SWITCHED PARASITICANTENNAS FOR CELLULAR COMMUNICATIONS THIEL DAVID V.SMITH STEPHANIE/ARTECH HOUSE 2002(文献3)。在日本专利申请公开号2001-36337(文献4)、日本专利申请公开号2001-345633(文献5)以及日本专利申请公开号2003-258533(文献6)中，公开了使用该方法的天线。
此外，有通过经由多个天线发送/接收信号来提高通信性能的MIMO(多输入多输出)技术。在MIMO系统中，要求每个天线单元与其它天线单元几乎没有关系。传输设备使用多个天线单元，同时传送多个数据流。接收设备处理由多个天线单元接收的信号，由此恢复原始的多个数据流。特别在多路径环境下，该MIMO是有效的技术。
发明内容
如上所述，MIMO方法显著地提高多路径环境中的通信性能。但是，在视距环境中，例如，在高电平信号来自某一方向的环境中，MIMO方法在提高通信性能方面的效果被削弱。
同时，在高电平信号来自某一方向的条件下，在提高通信性能方面，控制该方向性为朝着信号到达的方向的定向天线是高效的。但是，因为在多路径环境下，信号到达的方向不被限定为单一方向，因此对于提高通信性能来说，存在其中控制该方向性朝着信号到达的方向的定向天线不能获得与MIMO方法相等效的效果的某些情况。
在某些情况下，在给定环境下，对于诸如具有变化环境的移动通信终端设备的无线通信设备，MIMO天线或不定向天线都不能提供良好的通信性能。
因此，本发明的目的是提供一种在诸如多路径环境、视距环境等的变化环境中可以获得通信性能的良好改进的阵列天线、无线通信设备以及阵列天线控制方法。
为了实现上述目的，根据本发明的一个方面的阵列天线，包括：
布置具有多个天线单元的天线单元组；以及
开关部分，该开关部分具有能分别地切换天线单元的馈电点的多个开关元件，并且通过开关元件的切换，开关部分将天线单元组转换为操作为用于MIMO通信的天线，以并行传送和接收多个信号，或操作为为定向阵列天线，以控制该方向性为信号到达的方向。
根据本发明一个方面的无线通信设备包括：
阵列天线，该阵列天线包括布置有多个天线单元的天线单元组以及开关部分，该开关部分具有能分别地切换天线单元的馈电点的多个开关元件，通过开关元件的切换，将天线单元组转换为操作为用于MIMO通信的天线，以并行传送和接收多个信号，或操作为为定向阵列天线，以控制该方向性朝着信号到达的方向；
馈电电路，其通过阵列天线的开关部分的切换，将电源馈送到变为辐射元件的天线单元；以及
控制部分，其判定阵列天线应该用作定向阵列天线还是用作用于MIMO通信的天线，并指示它为阵列天线。
根据本发明的一个方面的阵列天线控制方法，包括：
在接收第一请求时，采用阵列天线，该阵列天线包括布置有多个天线单元的天线单元组以及能分别地切换天线单元的馈电点的多个开关元件的开关部分，以便通过开关元件的切换，将天线单元组设置为操作为用于MIMO通信的天线，该天线发送/接收多个信号；并且
在接收第二请求时，通过开关元件的切换，将天线单元组设置为操作为定向阵列天线，该天线将该方向性控制为朝着信号到达的方向。
附图说明
图1是示出了根据本发明示例性实施例的阵列天线的示意性结构的框图；
图2是示出了根据本发明示例性实施例的阵列天线的模拟图；
图3是示出了根据本发明示例性实施例的天线辐射图形的例子中，在垂直平面上的图形的图例；
图4是示出了根据本发明示例性实施例的天线辐射图形的例子中，在水平面上的图形的图例；
图5是示出了具有图3和图4中的辐射图形的天线的反射特性的图例；
图6是示出了天线开关11-16的具体图例的电路图；
图7是示出了天线开关11-16的另一具体图例的电路图；
图8是示出了天线开关17的具体图例的电路图；
图9是使阵列天线能够用作3端MIMO天线的结构的一个例子。
图10是示出了定向阵列天线和MIMO天线之间的转换的例子的图例；以及
图11是示出了具有阵列天线的无线通信设备的结构框图，该阵列天线可以转换为定向阵列天线和MIMO天线。
具体实施方式
将参考附图进一步详细地描述本发明的示例性实施例。
图1是示出了根据本发明示例性实施例的阵列天线的示意性结构的框图。参考图1，阵列天线100包括天线单元组101和开关部分102。
天线单元组101具有多个天线单元。该天线单元组101中包括的每个天线单元提供对馈电点状态的单独控制。
开关部分102切换天线单元组101中所包括的天线单元的馈电点，以便天线单元101被操作为用于并行传送/接收多个信号的MIMO通信的天线，或被操作为定向阵列天线，该阵列天线控制该方向性为朝着信号到达的方向。
当天线单元组101充当用于MIMO通信的天线时，开关部分102允许用于多个信号的传输的天线单元成为辐射元件，并将电源馈送到那些馈电点。
当天线单元组101充当定向天线时，开关部分102将电源馈送到用作辐射元件的天线单元的馈电点，并将被用作非辐射元件的天线单元的馈电点置为开路状态或将该元件短接到地线的短路状态。短路状态中的天线单元用作反射器。但是，开路状态中的天线单元用作导波器。根据反射器和导波器的布置，判定该方向性。
根据该示例性实施例，由于可以有选择地使用两种结构之一，即，一种结构采用MIMO系统，以经由天线传送多个信号；而另一种结构通过控制定向阵列天线的方向性为信号到达的方向来传送信号，因此在诸如多路径环境、视距环境等的变化环境中，可以实现通信性能的良好改进。至于通信性能，例如，可以分析实际的处理量、接收灵敏度或信号质量。
图2是示出了该示例性实施例的阵列天线的模拟图。在图2中，反向F型天线单元2-8对应于图1中的构成天线单元组101的天线单元。开关11-17对应于图1中的构成开关部分102的开关。
反向F型天线单元2(中心天线单元)被布置在接地基板1上的中心处。以反向F型天线单元2为中心，布置反向F型天线单元(外围天线单元)3-8，每个与中心天线单元2等距，并互相等距隔开。反向F型天线单元2接收来自收发器的供电电路9的电源。
反向F型天线单元3-8分别设置有开关11-16。根据开关11-16的状态，相对于接地基板1，反向F型天线单元3-8可以被切换为两种状态：开路状态和短路状态。
此外，反向F型天线单元3被配置为，能通过微带线18和除开关11之外的开关17，从收发器的供电电路10得到电力。反向F型天线单元3和开关17被微带线18连接，并且它们之间的间距被设为信号波长λ的1/4。
接下来，将描述图2所示的阵列天线的操作。
当天线单元组101被用作定向阵列天线时，在中心处的反向F型天线单元2变为辐射元件。而非辐射元件选自其外围的反向F型天线单元3-8。根据非辐射元件的选择，确定天线的方向性。例如，通过将在外围的反向F型天线单元3-8当中的、仅仅从反向F型天线单元2看来在某一方向上的多个连续地相邻的天线单元置为开路状态，并通过将其他天线单元置为短路状态，来设置天线的方向性。
至于图2的阵列天线，可以根据开关11-16的状态，通过将反向F型天线单元3-8置为开路状态或短路状态，而控制其方向性。
通过将连接到反向F型天线单元的开关设置为短路状态，短路状态中的反向F型天线单元用作反射器。但是，开关连接于其的反向F型天线单元被设为开路状态，用作导波器。例如，当开关13-15被设为短路状态并且开关11，12和16被设为开路状态时，反向F型天线单元5-7用作导波器，而反向F型天线单元3，4和8用作反射器。结果，使得图2的天线的方向性在反向F型天线单元6所处的方向上。
根据该示例性实施例，如图2所示，以反向F型天线单元2为中心将反向F型天线单元3-8以圆形形状布置，反向F型天线单元3-8是非辐射元件，反向F型天线单元2是辐射元件，以便当阵列天线100被用作定向阵列天线时，它变得可以使其方向性转向任意方向。
可以以布置多个天线的方式以及控制用于将电源馈送到每个元件的信号的相位和振幅的方式，配置具有可控方向性的阵列天线。但是，因为被馈送到每个元件的信号的相位和振幅二者都应该被控制，所以控制本身变复杂，并且由于每个元件都需要通电，所以功耗增加。在这方面，如本示例性实施例那样，利用辐射元件作为中心，以圆形形状布置非辐射元件，并且每个非辐射元件的阻抗值被改变，从而，在定向阵列天线具有可控方向性的情况下，仅仅为辐射元件供电，因此功耗被大量减少。
此外，根据该示例性实施例，将反向F型天线单元3-8与在中心处的反向F型天线单元2以相等的间隔布置，并且该反向F型天线单元3-8互相具有相等的间隔，以便，在使用阵列天线100作为定向阵列天线的情况下，可以形成在任意方向具有几乎相同增益的方向性。
此外，根据该示例性实施例，将反向F型天线用作为天线单元，以构成天线单元组101。因此，与采用偶极天线或单极天线的情况相比较，可以实现相对较小的外形，并且与采用片状天线的情况相比较，可以获得良好的反射特性和良好的宽频带特性。
图3和图4示出了根据该示例性实施例的天线的辐射图形的例子。
图3是在辐射图形外的垂直平面的图形，而图4是在辐射图形外的水平面的图形。此外，图5示出了此时的反射特性。如图3和图4所示，该天线具有定向波束图形，并且此时，获得约7.5dBi峰值增益。
反向F型天线单元2和天线单元组101之外的反向F型天线单元3-8之间的间距被设为约1/4-1/2信号波长的距离。在该例子中，由于获得足够的反射特性，该间隔在3.5GHz被设为1/2波长的距离。在反射特性是-10db或以下的条件下，由图4获得20％的特定频宽和宽频带特性。
图6是示出了天线开关11-16的具体图例的电路图。在图6中，例如采用pin二极管22作为开关。通过控制信号，导通或关断pin二极管22，pin二极管22可以作为开关操作。电容器21是DC切断电容器(DC cut capacitor)。线圈23是射频切断线圈。电阻器24是偏流设置的电阻器。
尽管在图6中，DC切断电容器21被连接到pin二极管22，但是如果它受电容器21的电抗元件影响，电容器21可以被连接到反向F型天线单元4的短端侧。
图8是示出了天线开关17的具体图例的电路图。反向F型天线单元3和pin二极管29被微带线18连接。反向F型天线单元3和pin二极管29之间的间距被设为1/4信号波长λ的距离。由此，当pin二极管29被引起短路时，在高频时，从反向F型天线单元3的端子，它似乎为开路。
当反向F型天线单元3被开关11置为开路状态或短路接地状态时，开关17被设为短路状态。
此外，当收发电路(供电电路10)被连接到反向F型天线单元3时，开关11的pin二极管26和开关17的pin二极管29都被设为开路状态。在该状态中，阵列天线100可以被用作供电电路9和供电电路10的2-端口MIMO天线。
其间，尽管在该示例性实施例中，pin二极管被用作开关元件，但是也可以使用GaAs开关、MEMS(微电机械系统)开关等等。
接下来，将描述本发明的另一示例性实施例。
当阵列天线100被用作MIMO天线时，除反向F型天线3之外，反向F型天线单元4-8之一可以具有与反向F型天线3相同的结构。
图9是使阵列天线能够用作3端口MIMO天线的结构的一个例子。在图9中，除图2的结构之外，阵列天线100具有一结构，其中反向F天线6可以从收发器的供电电路37得到电力。通过采用供电电路9、10和37，可以将阵列天线100用作3端口MIMO天线。此外，当阵列天线100被用作MIMO天线以使MIMO天线的辐射图形对称时，可以将供电电路10与供电电路37一起使用，而不与供电电路9一起使用。
图10是示出了定向阵列天线和MIMO天线之间的转换的例子的图例。
它示出了其中终端41处于从基站天线40开路位置的状态。在该状态中，来自基站天线40的接收到的无线电波信号的强度在一个方向上特别强。
它还示出了终端42处于多路径环境中，处于从基站天线40的非开路位置中。有建筑物43，该建筑物43是基站天线40和终端42之间的阻碍物，并且从基站天线40传送的发射波通过多个路径到达终端42。
通常，对于在诸如终端41所处的条件的多路径环境中，用于提高通信性能的MIMO方法是高效的，但是在没有多路径的环境中，如终端42的条件中，或在有多路径但是来自一个方向的入射波具有特别高的强度的环境中，其效果是相当小的。这里，在终端42的条件下，通过采用阵列天线100作为定向阵列天线，可以进一步提高通信性能，且因此增加接收增益，而不是采用MIMO方法。
因此，在终端41的条件下，阵列天线100被操作为MIMO天线，而在终端42的条件下，阵列天线100被操作为定向阵列天线。由此，在终端41和42的任意环境中，可以证明良好的诸如接收特性的通信性能。例如，作为选择模式的一种方法，对于MIMO天线和定向阵列天线二者，可以测量实际的处理量，并且具有较好处理量的任何一种将被选择。
此外，现在将说明具有如上所述的阵列天线100的终端移动时发生的转换操作。假定终端接收来自基站天线40的发射波，同时从终端41的位置移动到终端42的位置。
因此，在终端41的位置，阵列天线100被操作为MIMO天线，而如果终端移动到终端42的位置，则阵列天线100转换为定向阵列天线。以此方式，在终端41和42的任意环境中，可以保持良好的通信性能。
这里，为了决定是否进行转换，可以测量终端的接收灵敏度或信号质量，并与给定的阈值相比较。
此外，当终端如图10所示地移动时，终端的信号处理部分(未示出)做出上述决定，然后可以适时地进行MIMO天线和定向阵列天线之间的转换。
以上仅仅说明终端移动的情况，但是有一些其他情况，其中即使已经以固定方式安装，终端的环境还是改变。在后一种情况下，可以通过MIMO天线和定向阵列天线之间的转换来提高通信性能。例如，尽管终端可以安装为固定终端，但是当去除了阻挡物时，终端的环境仍然改变。
此外，即使是在室内安装的终端，也可以将该终端安装在从基站天线可以看到的窗户的旁边，或该终端可以被安装在从基站天线看不到的位置中。在后一种情况下，通过在MIMO天线和定向阵列天线之间选择适合天线，仍然可以提高通信性能。当来自一个方向的输入无线电波信号的强度高时，最好使得阵列天线操作为定向天线。在具有诸如超视距的大量多路径的环境中，最好使阵列天线操作为MIMO天线。
图11是示出了具有阵列天线的无线通信设备的结构的框图，该阵列天线可以悲转换为定向阵列天线和MIMO天线。参考图11，无线通信设备200包括阵列天线100、控制部分201和供电电路202。
阵列天线100包括天线单元组101，类似于图1和图2所示的阵列天线，该天线单元组由多个天线单元构成。由于根据来自控制部分201的指令而分别切换天线单元组101中包括的天线单元的馈电点，所以阵列天线100被操作为MIMO天线或定向阵列天线。
当阵列天线100被用作定向阵列天线或MIMO天线时，通过阵列天线100内的开关部分102的切换，供电电路202将电源馈送到变为辐射元件的天线单元。
控制部分201判定阵列天线100应该用作定向阵列天线还是用作MIMO天线，并将该判定结果指示给阵列天线100。例如，控制部分201计算接收灵敏度或信号质量，并把它与给定的阈值相比较，以做出该转换的决定。此外，控制部分201控制开关部分102中的每个开关元件，以允许阵列天线100经历该转换。
至此，已参考示例性实施例说明了本发明，但是本发明不局限于以上实施例。所属领域的技术人员很好地理解，可以对本发明范围内的权利要求中所限定的本发明的结构或特点进行各种改进。
本申请要求基于2007年2月28日提交的日本专利申请号2007-050774的优先权，在此引入其全部内容供参考。

Claims (21)

1、一种阵列天线，包括：
天线单元组，该天线单元组布置有多个天线单元；以及
开关部分，该开关部分具有能分别地切换所述天线单元的馈电点的多个开关元件，并且通过所述开关元件的切换，开关所述天线单元组，以操作为用于MIMO通信的天线，从而并行传送和接收多个信号，或操作为定向阵列天线，以控制方向性为朝向信号到达的方向。
2、根据权利要求1所述的阵列天线，其中当所述天线单元组被操作为用于MIMO通信的天线时，所述开关部分执行切换，以允许用于发送多个信号的所述天线单元成为辐射元件，并且将电源馈送到所述天线单元的所述馈电点。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的阵列天线，其中当所述天线单元组被操作为定向天线时，所述开关部分将所述电源馈送到用作辐射元件的所述天线单元的所述馈电点，并将用作非辐射元件的天线单元的所述馈电点置为开路状态或接地的短路状态。
4、根据权利要求1至权利要求3之一所述的阵列天线，其中所述天线单元组的多个天线单元以其中当阵列天线被用作定向阵列天线时变为辐射元件的一个天线单元被布置在中心的方式、并且以其中变为多个非辐射元件的外围天线单元与在中心处的中心天线单元等距隔开并且互相等距隔开的方式布置。
5、根据权利要求4所述的阵列天线，其中当所述天线单元组被操作为定向阵列天线时，通过使开关部分仅仅将所述电源馈送到在中心处的所述天线单元并将从在所述中心处的天线单元看起来在某一方向上的多个连续相邻的天线单元设为开路状态、而将其他天线单元置为接地的短路状态，来设置所述方向性。
6、根据权利要求5所述的阵列天线，其中，在所述外围天线单元当中，在所述开路状态中的天线单元和在所述接地的短路状态中的天线单元被改变，以便控制所述方向性的方向。
7、根据权利要求4所述的阵列天线，其中当所述天线单元组被操作为用于MIMO通信的天线时，所述开关部分允许多个所述外围天线单元成为辐射元件。
8、根据权利要求7所述的阵列天线，其中当所述天线单元组被操作为用于MIMO通信的天线时，所述开关部分使从在所述中心处的天线单元看起来处于相反方向的两个天线单元成为辐射元件。
9、根据权利要求1至权利要求8之一所述的阵列天线，其中在所述天线单元组中的天线单元是反向F型天线。
10、根据权利要求1至权利要求9之一所述的阵列天线，其中使用pin二极管、GaAs开关或MEMS开关作为所述开关元件。
11、一种无线通信设备，包括：
阵列天线，该阵列天线包括布置有多个天线单元的天线单元组以及开关部分，该开关部分具有能分别地切换所述天线单元的馈电点的多个开关元件，通过所述开关元件的切换，该开关部分将所述天线单元组转换以操作为用于MIMO通信的天线，从而并行传送和接收多个信号，或操作为定向阵列天线，以控制方向性为朝着信号到达的方向；
供电电路，该供电电路通过所述阵列天线的所述开关部分的切换，将电源馈送到变为辐射元件的所述天线单元；以及
控制部分，该控制部分判定所述阵列天线应该被用作定向阵列天线还是用作用于MINO通信的天线，并将该判定结果指示给所述阵列天线。
12、根据权利要求11所述的无线通信设备，其中当所述天线单元组被操作为用于MIMO通信的天线时，根据来自所述控制部分的指令，所述开关部分执行切换，以允许用于发送多个信号的天线单元成为辐射元件，并将电源馈送到天线单元的所述馈电点。
13、根据权利要求11或权利要求12所述的无线通信设备，其中当所述天线单元组被操作为所述定向天线时，根据来自所述控制部分的指令，所述开关部分将电源馈送到被用作为辐射元件的天线单元的馈电点，并将被用作非辐射元件的天线单元的馈电点置为开路状态或接地的短路状态。
14、根据权利要求11至权利要求13之一所述的无线通信设备，其中所述天线单元组的多个天线单元以其中当阵列天线被用作定向阵列天线时变为辐射元件的一个天线单元被布置在中心的方式、并且以其中变为多个非辐射元件的外围天线单元与在中心处的中心天线单元等距隔开并且互相等距隔开的方式布置。
15、根据权利要求14所述的无线通信设备，其中当所述天线单元组被操作为定向阵列天线时，根据来自所述控制部分的指令，通过使所述开关部分仅仅将电源馈送到在中心处的所述天线单元，并将从在中心处的天线单元看在某一方向上的多个连续相邻的天线单元置为开路状态、而将其他天线单元置为接地的短路状态，来设置所述方向性。
16、根据权利要求15所述的无线通信设备，其中，在所述外围天线单元当中，在开路状态中的天线单元和在接地的短路状态中的天线单元被改变，以便控制所述方向性的方向。
17、根据权利要求14所述的无线通信设备，其中当所述天线单元组被操作为用于MIMO通信的天线时，根据来自所述控制部分的所述指令，所述开关部分使多个外围天线单元成为辐射元件。
18、根据权利要求17所述的无线通信设备，其中当所述天线单元组被操作为用于MIMO通信的天线时，根据来自所述控制部分的所述指令，所述开关部分允许从在中心处的所述天线单元看处于相反方向的两个天线单元成为辐射元件。
19、根据权利要求11至权利要求18之一所述的无线通信设备，其中所述天线单元组中的天线单元是反向F型天线。
20、根据权利要求11至权利要求19之一所述的无线通信设备，其中使用pin二极管、GaAs开关或MEMS开关作为所述开关元件。
21、一种阵列天线控制方法，包括：
在接收第一请求时，采用阵列天线，该阵列天线包括布置有多个天线单元的天线单元组以及具有能分别地切换所述天线单元的馈电点的多个开关元件的开关部分，以便通过所述开关元件的切换，将所述天线单元组设置为操作为用于MIMO通信的天线，并且所述天线发送/接收多个信号；以及
在接收第二请求时，通过所述开关元件的切换，将天线单元组设置为操作为定向阵列天线，所述天线控制方向性为朝着信号到达的方向。
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